Schnelle und kosteneffiziente Ausstattung von Industrie-4.0-Anlagen mit industriellem Ethernet

Entwickler von intelligenten Fabriken für Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge (IIoT) müssen in der Lage sein, kompakte, robuste, latenzarme und stromsparende Schnittstellen für Automatisierungs- und Steuerungsnetzwerke schnell zu implementieren. Die Leistungsanforderungen werden zunehmend durch industrielles Ethernet (IE) erfüllt, das Protokolle wie PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT, die im Ethernet-Protokoll gekapselt sind, und eine modifizierte MAC-Schicht (Media Access Control) verwendet, um die für Industrie-4.0-Geräte geforderte Leistung mit niedriger Latenz und in Echtzeit zu gewährleisten.

Es kann jedoch eine Herausforderung sein, alle erforderlichen Komponenten für eine flexible IE-Implementierung zusammenzustellen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die IE-Software zertifiziert ist, um einen zuverlässigen Betrieb und Interoperabilität zu gewährleisten.

Hinzu kommen Herausforderungen in den Bereichen Energieeffizienz und Umweltschutz. So verwenden IE-Netze in der Regel lineare oder Ringnetzstrukturen, die im Vergleich zu Sternnetzen eine geringere Leitungslänge aufweisen. Für lineare und Ringnetze sind jedoch zwei Ethernet-Anschlüsse pro Gerät erforderlich, so dass die Verlustleistung der physikalischen Schicht (PHY) eine wichtige Designüberlegung darstellt.

Die hohen Temperaturen in Industrieumgebungen und der Bedarf an kompakten Lösungen machen es erforderlich, dass die Entwickler das Budget für die Verlustleistung bei IE-Implementierungen sorgfältig verwalten.

Nehmen wir einen IE-Port mit einem Budget von 2,5 Watt Verlustleistung, bei dem das FPGA (Field Programmable Gate Array), der DDR-Speicher (Double Data Rate) und der Ethernet-Switch 1,8 Watt verbrauchen. Damit stehen 700 Milliwatt (mW) für zwei PHYs zur Verfügung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Jedes Gerät in einer linearen (Mitte) oder ringförmigen (rechts) Ethernet-Architektur benötigt zwei PHYs (links). (Bildquelle: Analog Devices)

Industrielle Geräte müssen nicht nur die hohen Anforderungen an die Verlustleistung erfüllen, sondern auch verschiedene Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit und elektrostatischen Entladung (EMC/ESD) der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und der Europäischen Norm (EN):

• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-4 für schnelle elektrische Transienten (EFT)
• IEC 61000-4-5 für Überspannungen
• IEC 61000-4-6 für leitungsgebundene Emissionen
• EN 55032 für abgestrahlte und leitungsgebundene Emissionen

Die Prüfung nach all diesen Normen ist kostspielig und zeitaufwändig. Und wenn bei der Prüfung und Zertifizierung etwas schief geht, verlängert sich die Zeit bis zur Markteinführung und die Kosten steigen.

Referenzdesign vereinfacht IE-Implementierung

Um die zahlreichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Implementierung von IE zu bewältigen, hat Analog Devices das Embedded-Referenzdesign Chronous RapID Platform Generation 2 entwickelt. Chronous bietet eine komplette Entwicklungsumgebung für IE, die verifizierte und bewährte Hardware und Software für gängige IE-Protokolle umfasst.

Es enthält zwei Ethernet-PHYs und eignet sich damit für den Einsatz in Geräten, die in linearen oder Ringtopologien vernetzt sind. Es sind drei Boards erhältlich, die vorzertifizierte Software für EtherCAT (EV-RPG2-ECZ), EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ) und PROFINET (EV-RPG2-PNZ) enthalten. Die Evaluierungskits EV-RPG2 (Abbildung 2) bieten eine vollständige Entwicklungsumgebung:

• Grundplatine mit dem Modul ADIN2299 RapID Generation 2 mit zertifizierter Protokollsoftware
• Wandadapter (AC) mit universellen Steckeradaptern
• Kabel für USB-A-Stecker auf USB-Mikro-B-Stecker
• Ethernet-Kabel

Abbildung 2: Die Evaluierungskits EV-RPG2 enthalten alles, was für die schnelle Bereitstellung von vernetzten IE-Geräten erforderlich ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Entwicklungskits EV-RPG2 ermöglichen es Entwicklern, den Kommunikationspfad zwischen einem Host-Prozessor und einem Gerät der intelligenten Fabrik, wie z.B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), vor der Integration schnell zu verifizieren. Neben der vorgetesteten Software zeichnet sich das EV-RPG2 durch einen geringen Stromverbrauch aus, wurde nach den relevanten IEC- und EN-Normen getestet und unterstützt die Anpassung an eine Vielzahl von Anwendungsfällen.

Das Modul ADIN2299 zeichnet sich durch einen kleinen Formfaktor für eingebettete Anwendungen sowie durch einen geringen Stromverbrauch und eine niedrige Latenzzeit aus. Es handelt sich um eine komplette, vorab getestete Lösung, die den industriellen Protokoll- und Netzwerkverkehr für einen Anwendungsprozessor verwaltet und die Integration von IE in Feldgeräte beschleunigt. Es umfasst einen Kommunikationscontroller, Protokollstack, Flash-Speicher, RAM, Follower-Controller und zwei PHY-Schnittstellen sowie die spezifische Software, die für EtherCAT-, PROFINET-Echtzeit- (RT) oder isochrone Echtzeit- (IRT) und EtherNet/IP-Netzwerke benötigt wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Modul ADIN2299 hat einen kleinen Formfaktor für Embedded-Anwendungen und verfügt über zwei Ethernet-PHYs (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Der PHY im eingebetteten IE-Modul ADIN2299 verwendet zwei stromsparende Single-Port-Ethernet-Transceiver ADIN1200 mit Datenraten von 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und 100 Mbit/s. Der ADIN1200 verfügt über einen energieeffizienten Ethernet-PHY-Kern, analoge Schaltungen, Eingangs- und Ausgangstaktpufferung, Verwaltungsschnittstelle und Subsystemregister, MAC-Schnittstelle und Steuerlogik. Zu den weiteren Merkmalen des ADIN1200 gehören:

• 10BASE-Te/100BASE-TX, IEEE802.15-konform
• Medienunabhängige Schnittstelle (MII), MAC-Schnittstellen mit reduzierter MMI (RMII) und reduzierter Gigabit-MMI (RGMII)
  • RGMII-Latenz bei 100BASE-TX: Senden <124 Nanosekunden (ns), Empfang <250 ns
  • MII-Latenz bei 100BASE-TX: Senden <52 ns, Empfang <248 ns
• Erfüllt -
  • IEC 61000-4-4 für schnelle elektrische Transienten (EFT) (±4 Kilovolt (kV))
  • IEC 61000-4-5 für Überspannungen (±4 kV)
  • IEC 61000-4-6 für leitungsgebundene Emissionen
  • EN55032 für abgestrahlte und leitungsgebundene Emissionen (Klasse A)
• Betriebsbereich -40 bis +105 °C Umgebungstemperatur
• Leistungsaufnahme von 139 mW für 100BASE-TX bei 1,8 Volt
• 5 × 5 Millimeter (mm), 32-poliges Lead-Frame-Chip-Scale-Gehäuse (LFCSP) (Abbildung 4)

Abbildung 4: Die Ethernet-Transceiver ADIN1200 sind robust, und ihr 5 Quadratmillimeter großes LFCSP-Gehäuse unterstützt kompakte Lösungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

IE-Protokolle wie PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT können den Bedarf an Schnittstellen für Automatisierungs- und Steuerungsnetzwerke mit geringer Latenz erfüllen, die in der Industrie 4.0 erforderlich sind. Um den Einsatz von IE zu beschleunigen, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Interoperabilität zu gewährleisten, bietet Analog Devices ein Referenzdesign mit effizienten PHYs und eine umfangreiche Palette an vorzertifizierter Software.

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